供稿人：趙汗霖、王富 供稿單位：西安交通大學機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室 發(fā)布日期：2024-05-14
梯度折射率光纖(GRIN)、光子晶體光纖(PCF)、抗諧振光纖(ARF)和d形光纖等的制造通常使用堆疊-拉伸法，該過程耗時長，不可擴展，裝配過程中容易出現(xiàn)操作錯誤。無機玻璃增材制造可以實現(xiàn)該過程的自動化進而改變結(jié)構光纖、梯度折射率光纖和梯度折射率微光學元件的復雜預制體的有效開發(fā)。
該研究提出了一種基于熔融材料沉積（FDM）的3D打印方法來制造光纖預制體。提出低溫（300-1050℃）3D玻璃打印(LTP-3DGP)，致力于軟質(zhì)玻璃加工。
研究團隊使用在室內(nèi)合成的一種SiO2穩(wěn)定硼酸鉛玻璃，該玻璃的成分為5%SiO2、71%PbO、6%CdO、3%ZnO、15%B2O3。成形玻璃被切割和拋光成圓形棒，創(chuàng)建用于打印的塊，然后采用開發(fā)的專用3D打印裝置，通過溫度和壓力控制，直接從大塊玻璃中擠出來制造預制體。與DIW、DLP和SLS方法相比，該方法提供了一步制備光纖預制棒的可能性。該裝置可以更好地控制玻璃沉積，從而使打印分辨率更高。LTP-3DGP允許水平預成型打印，這解決了垂直打印預成型存在的顆粒形成問題。打印裝置包括加熱坩堝和放置在熱控制室中的打印床，以及基于平移臺的運動系統(tǒng)。
圖1 低溫玻璃3D打印系統(tǒng)(LTP-3DGP)XY平移平臺允許打印水平定位，而打印頭在垂直Z方向調(diào)整
作為概念驗證，制造了典型光子晶體光纖(PCF)預制棒，該預制棒具有實心芯,光子包層由三圈空氣孔組成。同樣的方法還打印了玻璃管作為外部部分。PCF六角形預制件進行拉伸，減小其直徑，將PCF子預成型放入玻璃管管內(nèi)，并將其拉到一起形成最終直徑約為ca的光纖。
圖2 3D打印PCF預制體:(a)設計纖維結(jié)構的橫截面，(b)制造預制體的橫截面。打印的預制件對角線為15毫米，長70毫米(c)。應用纖維預制件的水平打印來取代預制件的手工組裝(d)
在亞預制棒加工過程中出現(xiàn)了光子晶體包層缺陷，即光子結(jié)構的外圓孔和光纖包層的殘余孔的合并，該加工誤差對光纖的主要導流性能沒有影響，卻對所設計結(jié)構的色散特性進行了修改。
圖3 光纖元件在不同制造階段的截面:光子晶體結(jié)構的亞預制體(a)，包層外部的毛細管(b)，開發(fā)的光子晶體光纖的最終結(jié)構(c,d)
圖4 PCF模態(tài)特性的驗證（左），切回法測量已加工纖維的損耗（右）
光纖經(jīng)測試不是無限單模，波長小于1550 nm的情況下有效引導高階模式，對于較長的波長，光纖變成單模。對光纖樣品進行衰減測量，在近紅外范圍內(nèi)，損耗為20 dB/m，與重金屬氧化物玻璃特性有關而相對較高，對于較長波長衰減進一步增加。
圖5 測量光纖的色散。以塊狀CD-16玻璃的材料分散為參考
實際色散特性與設計光纖的色散特性的偏差的主要原因是光子晶體包層存在缺陷。然而，所獲得的色散特性對于在正常色散狀態(tài)下高效產(chǎn)生超連續(xù)譜是很有希望的。
打印過程中的主要的挑戰(zhàn)纖維預成型中存在打印氣孔，使用兩個打印頭的3D打印設置的進一步修改將允許打印沒有氣孔的全玻璃結(jié)構預制體。該研究結(jié)果顯示了利用3D玻璃打印實現(xiàn)光纖預成形完全自動化的前景，3D打印的進一步發(fā)展是制造和探索新型光纖的直接方法。